Projektbeschreibung: Mehrkörpersimulation
Parallele Roboter
Man nehme eine Menge von Gelenken und verbinde diese mittels Streben zu einem parallelen Roboter. Wird ein Gelenk oder eine Strebe bewegt, so bewegen sich auch andere Teile. Wie diese sich genau bewegen - das löst die entwickelte Software.
Zusammenhängend
Parallelkinematiken sind Roboter, die den Greifer über das Zusammenspiel mehrerer unterschiedlicher Verbindungen - sogenannte kinematische Ketten - bewegen. Gegenüber den typischen Industrierobotern, die nur aus einer seriellen Kette bestehen, sind Parallelkinematiken besonders schnell, weil sie Ihre Antriebe nicht in den Armen mit transportieren müssen. Meist lässt sich nicht "einfach" ausrechnen, wo sich der Greifer befindet, wenn die Aktoren auf eine bestimmte Position eingestellt sind. Je nach Aufbau der Kinematik ist auch die Berechnung in umgekehrter Richtung nicht einfach. Mehrkörpersimulationen (MKS) berechnen, wie sich einzelne, miteinander verbundene Glieder in Abhängigkeit von den anderen bewegen.
Im Rahmen dieses Projektes wurde ein solches MKS-Softwaresystem entwickelt, dem man lediglich Gelenkbeschreibungen übergibt und dabei festlegt, wie diese Glieder miteinander verbunden sind. Nach Festlegung der Aktoren kann dann direkt die Bewegung eines solchen parallelen Roboters simuliert und dargestellt werden.
Spielräume einschränken
Gelenke spielen die zentrale Rolle bei einer Kinematik. Zwei mittels Gelenk verbundene Glieder lassen sich nur noch auf ganz bestimmte Weise relativ zueinander bewegen. Jede Art von Gelenk schränkt den Spielraum gezielt ein: Kugelgelenke erlauben beliebige Drehungen um den Gelenkmittelpunkt, Scharniere dagegen nur um eine bestimmte Achse, Kardangelenke um zwei Achsen. Translatorische Gelenke erlauben eine Verschiebung und gegebenenfalls noch eine Drehung um die Verschiebungsachse.
Bauanleitung
Ein paralleler Roboter besteht zum einen aus Gelenken, zum anderen aus statischen Verbindungen zwischen den Gelenken. Wie diese statischen Verbindungen genau aussehen, ist dabei irrelevant. Insofern ist lediglich erforderlich, jeder eingesetzten Verbindung einen Bezeichner zu geben und zwei Verbindungen über ihre Bezeichner ein Gelenk zuzuweisen. Dabei müssen zusätzlich Position und Ausrichtung des zugewiesenen Gelenks angegeben werden:
<PassiveCardanJoint link1Name="upperlink1" link2Name="lowerlink1" point.x="2.678" point.y="0" point.z="-0.692" axisVector1.x="0" axisVector1.y="1" axisVector1.z="0" axisVector2.x="1.033" axisVector2.y="0" axisVector2.z="-2.358" />
Die aktiven Gelenke (Aktoren) werden verwendet, um die zusammengesetzte Parallelkinematik anzusteuern. Möchte man sehen, was mit den ursprünglichen Antriebsgelenken passiert, wenn man den Greifer bewegt, so legt man diesen vorübergehend als aktives Gelenk fest und beobachtet, was mit den eigentlichen Antriebsgelenken geschieht.
Eingerenkt
Mathematisch lässt sich die Bewegung des gesamten parallelen Roboters mittels Optimierungsverfahren (hier: Newton-Rhapson, Housholder) wie folgt berechnen: Nachdem die Antriebe ein zunächst nicht mehr zusammenpassendes Gebilde ergeben, wird der quadratische Fehler durch das iterative Optimierungsverfahren gezielt minimiert, bis schließlich eine Stimmigkeit des Gesamten wieder erreicht ist.
Einfach und vielfältig
- Parallele Kinematik entwerfen, ...
- ... als XML-Code eingeben ...
- ... und direkt in der Simulation ansteuern.
Mehr Aufwand bedarf es mit der entwickelten Software nicht. Ob herkömmliche Parallelkinematiken, wie Tripoden und Hexapoden, oder ob Fantasiestrukturen - nur wenige Zeilen XML-Code sind erforderlich.